Studying Cosmic Evolution with the XMM-Newton Distant Cluster Project: X-Ray Luminous Galaxy Clusters at Z>~ 1 and Their Galaxy Populations
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Studying Cosmic Evolution with the XMM-Newton Distant Cluster Project: X-ray Luminous Galaxy Clusters at z>1 and their Galaxy Populations ∼ Dissertation der Fakult¨at f¨ur Physik der Ludwig-Maximilians-Universit¨at M¨unchen arXiv:0806.0861v1 [astro-ph] 4 Jun 2008 vorgelegt von Rene Fassbender aus Diez/Lahn M¨unchen, Oktober 2007 1. Gutachter: Prof. Dr. Hans B¨ohringer 2. Gutachter: Prof. Dr. Andreas Burkert Tag der m¨undlichen Pr¨ufung: 29. November 2007 Dedicated to the memory of Peter Schuecker (1959–2006) Beobachtung Kosmischer Entwicklung mit dem XMM-Newton Distant Cluster Project: R¨ontgenhelle Galaxienhaufen bei z>1 und ihre Galaxienpopulationen ∼ Zusammenfassung R¨ontgenhelle Galaxienhaufen bei hoher Rotverschiebung (z >1) erm¨oglichen einzigartige, aber herausfordernde, Untersuchungen der kosmischen Entwicklung∼ dieser gr¨oßten Objekte im Uni- versum, der baryonischen Materie in Form des heißen Haufengases (Intracluster Medium, ICM), ihrer Galaxienpopulationen und des Einflusses der mysteri¨osen Dunklen Energie. Das Hauptziel der vorliegenden Doktorarbeit ist das Erstellen der Datengrundlage f¨ur das XMM- Newton Distant Cluster Project (XDCP). Diese neue Himmelsdurchmusterung im R¨ontgenlicht konzentriert sich auf die systematische Suche und Identifizierung von Galaxienhaufen bei den h¨ochsten Rotverschiebungen von z > 1 mittels einer gezielten Vorauswahl von ausgedehnten R¨ontgenquellen, Nachbeobachtungen∼ in zwei photometrischen B¨andern zum Nachweis und zur Entfernungssch¨atzung der Objekte sowie der abschließenden spektroskopischen Best¨atigung. Als ersten Schritt habe ich insgesamt 80 Quadratgrad (469 Felder) langbelichteter R¨ontgenbeobachtungen aus dem XMM-Newton Datenarchiv mit einem neu entwickelten au- tomatisierten Datenreduktionssystem analysiert. Damit konnte ich ann¨ahernd 1 000 aus- gedehnte Quellen als Galaxienhaufen-Kandidaten nachweisen, von denen sich 75% durch vorhandene optische Daten als Haufen und Gruppen bei z < 0.6 identifizieren ließen. Die verbleibenden ca. 250 Kandidaten mit typischen R¨ontgenfl¨∼ussen von 10−14 ergs−1cm−2 ≃ (0.5–2.0 keV) erfordern weitere Schritte, um als entfernte Galaxienhaufen best¨atigt werden zu k¨onnen. Daf¨ur entwickelte ich eine neue Nahinfrarot-Beobachtungsstrategie, mit der sich die Iden- tifizierung der ausgedehnten R¨ontgenquellen mittels Z- und H-Band Aufnahmen effizient durchf¨uhren l¨asst und die zur Rotverschiebungsabsch¨atzung anhand der Z–H Farbe der ‘Red- Sequence’ der Fr¨uhtypgalaxien dient. Um das Potential dieser Methode voll auszusch¨opfen, konzipierte ich ein neues Nahinfrarot-Datenverarbeitungsprogramm, mit dem die Nachbeobach- tungen zweier Kampagnen mit dem 3.5 m Teleskop des Calar Alto Observatoriums f¨ur 25% der 250 entfernten Galaxienhaufen-Kandidaten ausgewertet wurden. Anhand dieser Daten konnte ich als erstes Hauptergebnis insgesamt mehr als 20 photometrisch best¨atigte Neuendeckungen von entfernten r¨ontgenhellen Galaxienhaufen bei z >0.9 nachweisen. Desweiteren hat es die neue Z–H Beobachtungsmethode∼ erm¨oglicht, erstmalig eine Galaxienhaufen-Stichprobe ¨uber die gesamte Rotverschiebungsspanne von 0.2 < z < 1.5 zu untersuchen. Durch den Vergleich der beobachteten Farbentwicklung der ‘Red-Sequence’∼ ∼ mit Entwicklungsmodellen konnte ich die Entstehungsepoche der Sternpopulationen der Fr¨uhtypgalaxien auf z = 4.2 1.1 einschr¨anken und damit ihr hohes Alter best¨atigen. Eine f ± weitere Vorstudie ¨uber die H-Band Leuchtkraftentwicklung von 63 hellsten Haufengalaxien (Brightest Cluster Galaxies, BCGs) ¨uber das gleiche Rotverschiebungsintervall erm¨oglichte es, erstmals direkte Beobachtungshinweise daf¨ur zu liefern, dass sich die Masse der gr¨oßten Gala- xien im lokalen Universum seit z 1.5 mindestens verdoppelt hat. Mein vorl¨aufiges Ergebnis, ≃ dass nahe BCGs alte Sternpopulationen besitzen, ihre Masse aber erst zum Großteil ¨uber die letzten 9 Milliarden Jahre angesammelt wurde, stimmt qualitativ mit den Vorhersagen der mo- dernsten Simulationen zur hierarchischen Galaxienentstehung und -entwicklung innerhalb des theoretischen Standardmodells ¨uberein. Die Best¨atigung und Verfeinerung dieser vorl¨aufigen Ergebnisse werden zur Entwicklung einer widerspruchsfreien Beschreibung kosmischer Entwick- lung von Galaxienpopulationen und der großr¨aumigen Struktur beitragen. Studying Cosmic Evolution with the XMM-Newton Distant Cluster Project: X-ray Luminous Galaxy Clusters at z>1 and their Galaxy Populations ∼ Abstract Investigating X-ray luminous galaxy clusters at high redshift (z > 1) provides a challenging but fundamental constraint on evolutionary studies of the largest∼ virialized structures in the Universe, the baryonic matter component in form of the hot intracluster medium (ICM), their galaxy populations, and the effects of the mysterious Dark Energy. The main aim of this thesis work is to establish the observational foundation for the XMM-Newton Distant Cluster Project (XDCP). This new generation serendipitous X-ray survey is focused on the most distant galaxy clusters at z >1, based on the selection of extended X-ray sources, their identification as clusters and redshift∼ estimation via two-band imaging, and their final spectroscopic confirmation. As a first step, I have analyzed 80 deg2 (469 fields) of deep XMM-Newton archival X-ray data with a new pipeline processing system and selected almost 1 000 extended sources as galaxy cluster candidates, 75% of which could be identified as clusters or groups at z < 0.6 using available optical data. This left about 250 candidates with typical 0.5–2.0 keV X-ray∼ fluxes of 10−14 ergs−1cm−2 in need of confirmation as distant cluster sources. ∼ Therefore, I have adopted a new strategy to efficiently establish the nature of these extended X-ray sources and estimate their redshifts, based on medium deep Z- and H-band photometry and the observed Z–H ‘red-sequence’ color of early-type cluster galaxies. To fully exploit this technique, I have designed a new near-infrared data reduction code, which was applied to the data collected for 25% of the 250 distant cluster candidates in two imaging campaigns at the 3.5m telescope at the Calar Alto Observatory. As a first main result, more than 20 X-ray luminous clusters were discovered to lie at a photometric redshift of z >0.9. Furthermore, the new Z–H red-sequence method has allowed a cluster∼ sample study over an unprecedented redshift baseline of 0.2 < z < 1.5. From a comparison of the observed color evolution of the cluster red-sequence galaxies∼ ∼ with model predictions, I could constrain the formation epoch of the bulk of their stellar populations as z = 4.2 1.1. This confirms f ± the well-established old age of the stellar populations of early-type galaxies in clusters. The preliminary investigation of the H-band luminosity evolution of 63 brightest cluster galaxies (BCGs) over the same redshift range provides for the first time direct observational indications that the most massive cluster galaxies in the local Universe have doubled their stellar mass since z 1.5. My tentative finding that nearby BCGs have old, passively evolving stellar ≃ populations and were assembled in the last 9 Gyr is in qualitative agreement with predictions from the latest numerical simulations based on the standard cold dark matter scenario of galaxy formation and evolution via hierarchical merging. The confirmation and refinement of these preliminary results will contribute to the development of a consistent picture of the cosmic evolution of galaxy populations and the large-scale structure. Contents 1 Introduction 1 2 Galaxy Clusters as Astrophysical Laboratories 3 2.1 GeneralProperties ............................... 3 2.2 ClustersasDarkMatterHalos. .. 4 2.3 X-ray Properties of the Intracluster Medium . ....... 6 2.3.1 Emissionmechanisms.......................... 6 2.3.2 ICMstructure.............................. 8 2.3.3 ICMformation ............................. 9 2.3.4 Scalingrelations............................. 11 2.3.5 Coolcoreclusters............................ 15 2.3.6 Sunyaev-Zeldovich effect . 16 2.4 TheClusterGalaxyPopulation . .. 17 2.4.1 Cluster versus field galaxies . 18 2.4.2 Formation of ellipticals and the cluster red-sequence......... 20 2.4.3 Evolution and environmental effects . ... 23 2.4.4 Brightestclustergalaxies. .. 26 3 Galaxy Clusters as Cosmological Probes 29 3.1 CosmologicalFramework . 29 3.1.1 Dynamics of the expanding Universe . 29 3.1.2 Distancemeasures ........................... 33 3.2 CosmicStructureFormation . .. 38 3.2.1 Growth and collapse of density perturbations . ..... 38 3.2.2 Galaxyclusterstatistics . 41 3.3 Cosmological Tests with Galaxy Clusters . ..... 51 4 X-ray Cluster Surveys 57 4.1 X-raySelection ................................. 57 4.2 LocalClusterSurveys. .. .. 58 4.3 DeepSurveys .................................. 62 4.4 DistantGalaxyClustersin2004 . ... 64 i 5 The XMM-Newton Distant Cluster Project 67 5.1 Motivation.................................... 67 5.2 XDCPSurveyStrategy............................. 68 5.3 PilotStudyResults............................... 70 5.4 XMMUJ2235.3-2557 .............................. 71 5.5 ThesisDataOverview ............................. 75 6 X-ray Analysis of XMM-Newton Archival Data 77 6.1 XMM-NewtoninaNutshell .......................... 77 6.2 X-ray Data Archive and Survey Definition . .... 83 6.3 Development of an X-ray Reduction and Analysis Pipeline ......... 85 6.3.1 Searchstrategy ............................. 85 6.3.2 X-raydatareduction .......................... 87 6.3.3 Detection of extended X-ray